作者简介:姬军鹏(1979-),男,西安理工大学工程师,研究方向:现代新型电力电子装置。

文章编号:1009 36(2006)03 0017 03研制开发

一种软开关直流脉冲电源的研究

姬军鹏,廖荣辉

(西安理工大学自动化与信息工程学院,陕西西安710048)

摘要:脉冲电源的形式和用途有多种,文章研究了一种软开关直流脉冲电源,主开关管可以实现零电流开通、零电压关断;输出脉冲电压波形工整,其占空比和频率的调节可以通过外围设定。仿真试验的结果验证了该直流脉冲电源的可行性。

关键词:直流脉冲电源;软开关;R C 网络中图分类号:T N 78T N 86

文献标识码:A

A Soft Sw itch DC Pulse Pow er Supply

JI Jun peng ,L IA O R ong hui

(Xi an U niv ersity of T echnolo gy ,X i an 710048,China)

Abstr act:T his paper research a soft sw itch D C pluse po wer supply.T he t ur ning on of main switch can achiev e Z CS,and turning o ff is ZV S.T he w ave of o utput pluse v oltage is tr im.A nd its occupy duty and f requency can be r egulate by hand.Simulat ion results ver ify the effectiv eness of the pro posed system.

Key wo rds:DC pluse pow er supply;so ft switch;RC netw or k

脉冲电源的形式和用途有多种,其主要的应用领域包括:脉冲电镀、极性相和非极性相的相分离、工业废气处理、脉冲电解污水处理、高频脉冲感应加热、高功率激光泵、产生高功率带电粒子束、电弧焊接、电火花加工、静电除尘、臭氧的制取和表面热处理等。在军事上,脉冲电源还用于电磁轨道炮、电磁脉冲模拟、粒子束武器、液电爆炸等领域。不同的应用场合,对电源的输出电压、输出电流及开关频率的要求不同。本文研究了一种软开关直流脉冲电源。电源的直流输入是三相可控整流得到的满足设计要求的直流电压,再经过高频斩波电路得到一定开关频率的直流脉冲电压。斩波电路主开关管可以实现零电流开通、零电压关断。脉冲占空比和频率的调节可以通过外围设定。

1 软开关直流脉冲电源工作原理

电路拓扑结构见图1(a)。其主开关管可以实现零电流开通、零电压关断。为了确保理想的方波脉冲,同时为了减小恢复时间造成的高频振荡,给每个二极管两端并联了RC 吸收网络。谐振电容可以利用RC 吸收网络的电容。图1(b)是电路主要波形图。

下面分析该斩波电路的工作原理。分析之前,作电路拓扑和控制信号假设如下: 所有开关管、二极

管均为理想组件;!所有电感、电容均为理想元件;∀负载为阻感负载(小电感,即负载电流断续)。主电路是工作模态见图2

所示。

(a)

主电路拓扑

(b)主要波形图

图1

软开关直流脉冲电源

(a) (b )

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17#

(c) (

d)

(e) (f)

图2 主电路各工作模态

(1)开关模态1(t 0,t 1)[图2(a)]

在t 0时刻之前,开关管Q 1处于关断状态。负载电感电流断续,续流二极管D 1截止。谐振电感电流i Lr 为0,阻容吸收网络电容电压U Cr 也为0。

t 0时刻,Q 1开通,加在L r 上的电压为U DC ,其电流从0线性上升,很快上升到I 0。因此Q 1是零电流开通。同时,U DC 通过R C 给C r 充电,其电压U Cr 开始上升,由于阻容吸收网络的作用,谐振被破坏,很快U EF 上升到U DC 后,保持不变,输出电压脉冲。直到t 1时刻关断Q 1。

(2)开关模态2(t 1,t 2)[图2(b)]

t 1时刻关断Q 1,i Lr 给C 1充电,由于有C 1存在,Q 1

是零电压关断。t 2时刻,C 1电压线性增加到U DC 。D a 2开始导通为L r 续流。

(3)开关模态3(t 2,t 3)[图2(c)]

t 2时刻,D a 2开始导通为L r 续流。由于D a 2的作用,避免了Q 1出现关断时的电压尖峰。同时,阻容吸收网络的C r 提供反压,i Lr 下降得很快。负载电流一部分通过阻容网络流动,也开始下降。t 3时刻i Lr 下降到零。从脉冲工艺要求来看,这个时间要求极短,这样脉冲的下降沿很陡,波形很工整。

(4)开关模态4(t 3,t 4)[图2(d)]

t 3时刻i Lr 下降到零。U EF 被钳位到零。D 1和阻容网络同时为负载续流。t 4时刻C r 放电到零。C r 放电到零的时刻必须在负载电流下降到零之前,否则脉冲波形会出现一个小台阶。这是因为负载电流下降到零后,C r 要继续通过负载放电,这样负载电感将产生反相电势,阻止电流流动,于是在负载两端出现一个台阶电压。

(5)开关模态5(t 4,t 5)[图2(e)]t 4时刻C r 放电到零。D 1为负载续流。(6)开关模态6(t 5,t 6)[图2(f)]

t 5时刻负载电流下降到零,D 1自然关断。此时电路处于完全不工作状态。直到t 6时刻Q 1开通,变换器开始另外一个周期的工作。

负载为阻感负载(大电感)时,工作原理类似,电流连续,不会出现模态6,同时不需要C r 放电到零,可以增大其容量。另外,Q 1刚开通时,U DC 不足以提供负载电流,其部分电流仍然通过D 1续流。

2 RC 吸收网络参数设计

由于脉冲电源的工作频率的关系,续流二极管采用快恢复或者超快恢复二极管,以确保理想的方波脉冲。同时为了减小恢复时间造成的高频振荡,给每个二极管两端并联RC 吸收网络。谐振电容可以利用

RC 吸收网络的电容。

在电流断续时(即小电感负载时),根据原理分析,可得模态4的方程:

U Cr +R C I Cr =U Load +I 0R Load =0

(1)

忽略这个过程中D 1上的电流,这样:

I Cr =I 0

(2)上式可改写为:

C r d u d t 1R Load =L Load d i d t 2

(3)假设临界条件下,即负载电流下降到零的时候,阻

容吸收网络C r 刚好也放点到零。这样:

d t 1=d t 2

(4)这样可以得到:

C r =

L Load I 0

UR Load

(5)C r 放电到零的时刻必须在负载电流下降到零之前,所以:

C r ∃

L Load I 0 UR Load

(6)

式中, I 0=I 0max ; U =U DC 。

在电流连续时不需要C r 放电到零,为了消除脉冲电压尖峰,必须增大C r 容量。负载感性越大,负载电流变化越小,负载电感两端的电压变化也越小,C r 的容量可以取得越大,以达到稳压的目的。

另外,根据模态3来确定L r 的取值范围:

U Cr =R C I C +U Lr

(7)

此模态时间要求极短,C r 上的电压U Cr 可近似看

作不变,同时忽略R C 上的电压,可得:

L r =

U Cr t i

(8)考虑到R C 上的电压降和U Cr 的减小,必须引入一个比例系数:K =0.3~0.5。

L r ∃K

U Cr t i

(9)

式中, I 0=I 0max , t 为电流的下降时间。这个时间越短,脉冲的下降沿越陡,波形越工整。

另外,R 的增大有利于消除电压尖峰,但是脉冲上升沿速度降低。

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18#

通信电源技术

2006年5月25日第23卷第3期

姬军鹏等: 一种软开关直流脉冲电源的研究

T elecom Pow er T echnolog ies M ay 25,2006,V ol.23N o.3

3 频率和占空比调节

图3(a)是输出脉冲电压频率和脉宽调节电路的结构。图3(b)是其主要波形。外围设置脉冲频率电压信号加到压控振荡器上,产生工艺要求频率的锯齿波或者三角波信号。再与外围脉宽调节电压作比较,产生工艺要求频率和脉宽的PWM 信号。这个信号经过处理产生负压,再经过脉冲放大和专用的驱动电路加到斩波电路的MOSFET 栅源极,

控制其开通和关断。

4 仿真分析

为了验证该脉冲电源的工作原理,进行了PSPICE 仿真,仿真的电路拓扑见图1(a),仿真试验参数为:输入直流电压:U in =400V;输出直流脉冲电压幅值:U o =400V (单向脉冲);斩波电路主开关管为APT 8024L 2LL;谐振电感L r =2 H 。R C 吸收网络的参数:R C =60 ,C r =6.6nF;负载:L Load =20 H ,R Load =40 ,电流断续,脉冲频率为100kH z 。

图4给出了该直流脉冲电源仿真波形,其中图4(a)分别是脉宽调节电路的锯齿波和外围输入脉宽调节电压、比较器输出的PWM 信号、驱动信号和斩波MOS FET 两端的电压波形。图4(b)分别是斩波M OSFET 的电流和驱动信号的波形。可以看出,开关管的电流在驱动电压变为正方向后才开始上升,实现了ZCS 。实际上,由于开关管存在结电容,虽然是零电流开通,不存在电流和电压交叠产生的开通损耗,但是开关管开通时,其结电容上有电压,这就是所谓的容性开通。此时结电容上的能量将全部消耗在

开关管内

部,这样导致其开通时出现一个很高的电压尖峰,产生开通损耗。为了减小因为容性开通产生的损耗,最好选择结电容较小的器件。图4(c)分别是输出脉冲电压、谐振电感电流、负载电流和阻容吸收网络的电容C r 上的电压波形。可以看出,输出脉冲电压波形很工整,占空比实现从40%~20%的调节。

5 结 论

本文提出了一种直流脉冲电源,分析了该电源系统的工作原理,并通过PSPICE 仿真验证了其正确性。该电源的特点是:(1)主开关管可以实现零电流开通、零电压关断;但是由于开关管开通时处于容性开通状态,仍

然存在一定的开通损耗。(2)输出脉冲电压波形很工整,满足工艺的要求。(3)脉冲占空比和频率的调节可以通过外围设定。参考文献:

[1] 马运东,阮新波,严仰光.ZV S PWM 全桥三电平直流变

换器[J].南京航空航天大学学报,2003,35(2):116 121.[2] 阮新波,严仰光.直流开关电源的软开关技术[M ].北京:科学出版社,2000.[3] 阮新波,严仰光.脉宽调制DC/DC 全桥变换器的软开关技

术[M ].北京:科学出版社,1999.

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